智能視覺檢測與控制實驗平臺的研究與開發

周博文　李艷斌　吳亮紅

摘 要：智能視覺檢測與控制實驗平臺是一個基于機器視覺與智能控制的實驗系統。文章給出了智能視覺檢測與控制實驗平臺的研發設計思路，介紹了平臺的框架結構，開發了基于工控機+運動控制卡+數據采集卡的控制系統方案，研制了在高速情況下的次品分離裝置，開發了模塊化的軟件算法平臺，并在實驗系統平臺上，驗證了開發視覺檢測實驗的有效性和實用性。

關鍵詞：視覺檢測；智能控制；次品分揀；圖像處理

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）04-0013-03

Abstract： The experiment platform of intelligent vision detection and control is an experimental system based on machine vision and intelligent control. This paper presents the research and design idea of the intelligent visual inspection and control experimental platform， introduces the frame structure of the platform， and develops the control system scheme based on industrial personal computer + motion control card + data acquisition card. The device for separating defective products at high speed is developed， and the modular software algorithm platform is developed. The validity and practicability of developing visual inspection experiment are verified on the platform of experimental system.

Keywords： visual detection； intelligent control； substandard sorting； image processing

人工智能和“中國制造2025”是當今的一個熱門話題，而智能視覺技術是人工智能中的重要組成部分，伴隨著計算機、圖像處理算法、智能控制和成像技術及手段的不斷發展，機器視覺技術已經應用到工業的各個領域，替代人工進行各種檢測、定位和識別等，為產品的質量控制和生產線系統的可靠穩定運行提供關鍵技術保障[1][2]。因此智能視覺檢測與控制實驗平臺的開發，為視覺檢測及控制實驗提供了幫助。

1 實驗平臺的設計思路

智能視覺檢測與控制實驗平臺是機器視覺和控制技術在視覺在線檢測、測量、識別與智能控制中的典型應用，實驗平臺是集機器視覺、光學成像、多傳感器融合、計算機、數字圖像處理和控制技術為一體的綜合性高技術實驗系統。

根據生產線在線檢測、測量、識別與控制的要求，結合現代生產線上高速度、高精度等的特點，智能視覺檢測與檢測實驗平臺要求能模擬現代生產線的生產環境，使穩定和高效可行的視覺檢測和基于視覺的智能控制方案的研究、開發、實驗與測試成為可能，是機器視覺和智能控制技術在現在工業應用的集中體現[3][4]。

2 實驗平臺體系結構

2.1 機械結構

智能視覺檢測與控制實驗平臺才有直線式傳輸方式，如圖1所示，傳送帶中部設置有一個檢測機柜，傳送帶的傳送方向是從右向左運行，被測的物品從傳送帶進入中間的檢測機柜，檢測機柜是一個暗室環境，外界光對內部的影響很小，在檢測機柜內設置有多個類型的LED光源系統和圖像采集系統。

被測物品通過傳送帶，進入檢測機柜后，觸發光電傳感器，檢測機柜內的相機拍攝被測物品，并把圖像傳輸到工控機中，通過圖像處理算法，判斷被測產品的尺寸、形狀或者表面缺陷等情況，若認為是次品，則當被測產品通過傳輸帶輸出到次品剔除位置時，控制剔除器的動作，把次品剔除出生產線。

從圖1可看出，智能視覺檢測與控制實驗平臺的整體結構比較復雜，其傳送系統、光學成像及視覺信息獲取系統、運動控制部分等必須在整個實驗平臺的協調下，準確完成復雜的視覺檢測、定位和測量等任務。

2.2 電氣控制系統

在工業智能化生產線上，運動控制系統要求具有穩定性、靈活性和模塊化的要求，因此，本文設計了基于工控機+運動控制卡+數據采集卡的電氣控制部分的系統結構。其中，工控機是系統的關鍵和中心部分，主要是進行上位機的控制和人機交互，包括數據的分析、圖像處理、目標識別等，另外還包括電機運行參數的調整和設置，并處理各硬件部件分工合作和協調控制[5]。

系統的底層運動控制由運動控制卡負責，主要負責電機的運動控制，如正反轉控制、速度控制等，包括精確的位置控制；數據采集卡主要負責IO數據的采集和發送，包括一些IO的邏輯輸入輸出，以及傳感器的數據采集、剔除器的動作等，控制系統的結構如圖2所示。

3 系統的視覺信息獲取

智能視覺檢測與控制實驗平臺采用基于工業PC+工業相機的模式，完成整個視覺系統的應用。在實驗平臺中，圖像采集由工業相機來完成，圖像采集卡（包括網卡）負責圖像的緩存、傳輸，有些還具備初步的處理的功能，實現工業相機的采集控制；工控機（工業PC）負責圖像的識別、判斷、分類和圖像的理解等上層工作。基于工業PC+工業相機的模式無需設計較多的硬件電路，視覺系統的成本較低，靈活性很強，并且有很好的開放性，高度的編程靈活性和良好的Windows界面，還可自主靈活添加檢測算法，軟件完全可按照開發者的思路執行。endprint

4 次品分揀

次品的準確剔除是生產線上的重點和難點，因此，在智能視覺檢測與控制實驗平臺上，才有直接擊出和觸發傳感器計數的方法，判斷當前產品是否為次品。次品分離的流程如圖3所示。

次品分揀的執行動作過程如下：首先，被檢測產品通過傳送帶進入檢測區域，觸發攝像機對產品拍照，檢測軟件判斷分析該產品是否為合格品，若為合格品，則計數器Zt進行計數，若為次品，則通過圖像再判斷該次品是否可回收再次利用，若可回收，則計數器Xn計數，否則計數器Ym計數。當次品進入擊出位時，擊出位傳感器判斷產品是否到達，若達到，則通過計數器的標記判斷是否為次品，若為次品，且為計數器Xn計數，則柔性擊出進行回收處理，若為Ym計數則進行破壞性處理。

5 開放性軟件模塊設計

智能視覺檢測與控制實驗平臺的軟件采用模塊化架構，主要分為四個類模塊，分別是：運動控制類模塊CMotionCard類、數據采集類模塊CDataCard類、圖像采集和處理類模塊CImagingCard類、人機交互界面類模塊CIFaceView類，四個類模塊負責四個部分的軟件，相互獨立有統一協調，形成一個有機的整體，如圖4所示。

實驗平臺中，根據以上的四個類模塊，可以直接在軟件中調用各個硬件的多種功能及選項，并能方便實現硬件的參數設置，實驗平臺的使用者無需知道與之相關的硬件知識就能在平臺上做后續軟件開發，使系統具備良好的可擴展性、通用性和實時性。

6 結束語

本論文研發了一套智能視覺檢測與控制實驗平臺，平臺外觀如圖5所示，通過分析和測試，驗證了文章所提出來的機械體系和基于工控機+運動控制卡+數據I/O卡的電氣控制系統的可行性和正確性及圖像獲取、次品分揀和軟件算法平臺的有效性和實用性。

參考文獻：

[1]段峰，王耀南，雷曉峰，等.機器視覺技術及其應用綜述[J].自動化博覽，2002，19（3）：59-61.

[2]Feng Duan， Yaonan Wang， Huanjun Liu. A Real-Time Machine Vision System for Bottle Finish Inspection[J]. Proceedings of Eighth International Conference on Control， Automation， Robotics and Vision， 2004 （12）：842-846.

[3]王耀南，陳鐵健.智慧工廠機器視覺感知與控制關鍵技術綜述[J].中興通訊技術，2016，22（5）：26-30.

[4]劉光明，文援蘭，廖瑛.基于多種軟件平臺的衛星動力學仿真研究[J].系統仿真學報，2007，19（2）：308-311.

[5]胥磊.機器視覺技術的發展現狀與展望[J].設備管理與維修，2016（9）：7-9.endprint